Aminosavak, peptidek, fehérjék

Átírás

1 Aminosavak, peptidek, fehérjék Aminosavaknak nevezzük azokat a karbonsavakat, amelyekben a szénlánc egy vagy több hidrogénjét amino (NH 2 ) csoportra cseréljük. Csoportosításuk történhet az amino és karboxilcsoportok száma és egymáshoz viszonyított helyzete alapján. Az aminosavak elnevezése történhet szubsztitúciós nomenklatúrával, azonban a természetes aminosavakat triviális névvel szokás elnevezni: Jóllehet, a számtalan aminosav ismert, és bármilyen szerkezetű aminosav előállítása megoldható, a fenti csoportból az a-aminosavak kiemelkedő fontossággal bírnak, mivel az élőszervezetekben található fehérjék és peptidek a-aminosavakból épülnek fel. Eddig minegy a-aminosavat izoláltak fehérjék hidrolízisével. Csoportosításuk történhet az amino és karboxilcsoportok száma szerint. 77

2 Aminosavak fizikai tulajdonságai: Az a-aminosavak kristályos, magas olvadáspontú vegyületek. lvadáspontjuk sokkal magasabb, mint azoké a karbonsavaké vagy aminoké, melyekből helyettesítéssel levezethetők. lvadáspontjuk fölött elbomlanak, gázhalmazállapotban nem létképesek. ldékonyságuk is a sókra emlékeztet. Szerves oldószerekben, például alkoholban a prolin és a hidroxiprolin kivételével gyakorlatilag oldhatatlanok, míg vízben valamennyi jól oldódik. Aminosavak optikai sajátságai: Az aminosavak királis vegyületek, és a természetben enantiomer tiszta formában fordulnak elő. A fehérjék felépítésében csak az L konfigurációjú aminosavak vesznek részt. A két kiralitáscentrumot tartalmazó vegyületek esetében (treonin és izoleucin) négy lehetséges szteroizomer létezik, azonban itt is csak az L konfigurációjú vegyület vesz részt a fehérjék feléoítésében. 78

3 79

4 Aminosavak sav-bázis sajátságai: Ikerionos forma Izoelektromos pont: az a ph, ahol az adott aminosav csak ikerionos formában van jelen 80

5 Elektroforézis vázlata Az elektroforézis töltött részecskék (ionok, felületi töltéssel bíró részecskék) vándorlása elektromos erőtér hatására. Az elektroforézist elsősorban az analitikai kémiábanhasználják a különböző részecskék elválasztására, mivel a különböző elektroforetikus mozgékonysággal jellemezhető részecskék elektromos erőtérben különböző sebességekkel mozognak, így egymástól elválasztódnak. Az elektroforézis jelenleg az egyik legnagyobb hatékonyságú elválasztástechnikai módszer. A géles közegben végzett elektroforézis a biológiai makromolekulák (fehérjék, DNS, RNS) meghatározásának egyik legfontosabb eszköze.

6 a-aminosavak előállítása Az a-halogénezett savak ammónium-hidroxiddal aminosavakká alakíthatók át. A keletkező aminosav aminocsoportja az ikerionos szerkezet miatt kevésbé bázisos, mint más aminokban, így a további alkilezési reakció lassú. Tisztább terméket kapunk a-bróm-karbonsavészterből kiindulva, ahol a nitrogénatomot az erősen nukleofil ftálimid-kálium szolgáltatja. Ez tulajdonképpen a Gabriel-szintézis. Kérdés: alkalmazható-e bonyolultabb aminosav származékok előállítására? 82

7 Aminosavak előállítása malonészter szintézissel Malonészter szintézis elvi alapjai. Michael addíció 83

8 Strecker Zelinszkij-féle szintézis: Aldehidek ammóniumaddícióját kísérő eliminációjában a keletkező aldimin cseppfolyós hidrogén-cianiddal a-aminonitrillé alakítható, melyből hidrolízissel aminosav nyerhető Erlenmeyer-féle azlakton szintézis Reduktív aminálás 84

9 a-aminosavak rezolválása I. Az előzőekben ismertetett eljárások az aminosavak racemátjait eredményezik. Az enantiomerek szétválasztását (rezolválását) enzimekkel mint biokatalizátorokkal, vagy diasztereomer sóképzéssel valósítják meg. Aminosavak N-acetilszármazékainak racemátjai aciláz enzim jelenlétében úgy hidrolizálnak, hogy csak az (S)- konfigurációjú enantiomer szenved hidrolízist, mely az (R)-N-acetilaminosavtól könnyen elválasztható. Az aciláz enzim sertésveséből nyerhető. 85

10 a-aminosavak rezolválása II. További lehetőség a szétválasztásra a diasztereomer sóképzés, amely során először az aminosav amfoter jellegét, például N-benzoilezéssel megszüntetik. Az így nyert N-benzoilszármazékból molekvivalens mennyiségben vett optikailag tiszta bázissal [pl. (-)-brucin vagy (-)-sztrichnin] sót képeznek. Az diasztereomer sók 1:1 arányú keveréke frakcionált kristályosítással szétválasztható. A diasztereoegységes sókból a megfelelő konfigurációjú N-benzoilaminosav savas kezeléssel szabadítható fel, és végül a benzoilcsoport hidrolízissel hasítható le. 86

11 Az aminosavak kémiai tulajdonságai Amino csoport reakciói: alkilezés, acilezés Észteresítés Reakció salétromos savval Reakció N-nukleofilekkel xidáció

12 Aminosavak kimutatása: színreakció ninhidrinnel, csak rájuk jellemző (a prolin kivételével). A szekunder aminok narancssárga szinű terméket adnak! 88

13 Xantoprotein - teszt Az aromás oldalláncot tartalmazó aminosavak (pl.: tirozin, fenilalanin, triptofán) salétromsav hatására nitrálódnak, ami sárga elszíneződést eredményez. Biuret - teszt A biuret teszt az amid kötés jelenlétét mutatja ki, mivel Cu(II) ionokkal lila színű komplex keletkezik. Legalább tripeptidnek kell lennia a színreakcióhoz.

14 Peptidek, fehérjék A fehérjék (peptidek) olyan makromolekuák, melyek a-aminosavakból épülnek fel. A fehérjékben aminosavak peptid kötéssel (amidkötés) kapcsolódnak össze. az Fehérjék csoportosítása összetétel alapján: egyszerű fehérjék: hidrolízisükkel csak aminosavak keletkeznek összetett fehérjék: hidrolízisükkel aminosavak mellett egyébb anyagok (szénhidrátok, nukleotidok, stb.) is keletkeznek. Fehérjék csoportosítása funkció alapján alapján: enzimek : biológiai, kémiai folyamatot katalizálnak a szervezetben (pl: tripszin hidroláz enzim) transzportfehérjék: kis molekulák szállítását végzik (pl: hemoglobin) kontraktilis fehérjék: mozgásban vesznek részt (pl: miozin) vázfehérjék: kollagén (inak, porcok) tartalékfehérjlék: ovalbumin (tojás) védőfehérjék: ellenanyagok 90 hormonok: inzulin (glükózanyagcsere)

15

16

17 Az aminosavak csoortosíthatóak az oldallánc jellege szerint is: apoláris oldalláncot tartalmaznak: alanin; valin; leucin; izoleucin; propiln; metionon; fenilalanin; triptofán poláros oldalláncot tartalmaznak: glicin; szerin; treonin; cisztein; tirozin; aszparagin; glutamin savas oldalláncot tartalmaznak: aszparaginsav; glutaminsav bázikus oldalláncot tartalmaznak: lizin; arginin; hisztidin esszenciális aminosav: nem képes az emberi vagy állati szervezet szintetizálni, csak a táplálékkal juttatható be megfelelő mennyiség a szervezetbe. Az emberi szervezet számára 9 esszenciális aminosav van: metiomim, treonin, lizin, leucin, izoleucin, valin, fenilalanin, triptofán hisztidin 93

18 Fehérjealkotó a-aminosavak csoportosítása hidrofób hidrofil

19 Peptidek Pentapeptid serylglycyltyrosylalanylleucine, vagy Ser Gly Tyr Ala Leu, vagy SGYAL.

20 A biomakromolekulák szerkezeti szintjei Elsődleges szerkezet : A monomerek kapcsolódási sorrendje, ami lehet lineális, mint a fehérjéknél és a nukleinsavaknál, vagy elágazó, ami az oligo és poliszacharidok esetében léphet fel. Másodlagos szerkezet: Lokális rendezettség a biomakromolekulán (hélix, redő, stb) Harmadlagos szerkezet: Leírja a biomakromolekula teljes 3D szerkezetér. Minden atom helyzete ismert. Tartalmazza a másodlagos szerkezeti elemeket is. Negyedleges szerkezet: Speciális rendeződése több azonos típusú biomakromolekulának. Pl: hemoglobinban négy alegység (négy fehérje lánc) található ötödleges szerkezet: Különböző típusú biomakromolekulák összekapcsolódásával létrejövő komplex sejtalkotó komponensek. Pl.: hiszton (DNS-fehérje), riboszóma (RNS-fehérje), glikoprotein (oligoszaharid-fehérje).

21

22 A fehérjék elsődleges szerkezetének (aminosav sorrendjének) megállapítása Az N-terminális aminosav meghatározása (Senger módszer): A peptidet reagáltatjuk 2,4-dinitrofluorobenzollal, és a keletkezett termék hidrolizálva az N-terminális aminosav jelzetten található. Az C-terminális aminosav meghatározása: a klasszikus módszer szerint redukáljuk a C-terminális végét a fehérjéknek, így a hidrolízis sorén az aminosavak mellett lesz egy aminoalkohol is, ami a C-terminális aminosavból keletkezett. A fehérjék hidrazinnal is bonthatóak, ebben az esetben a C-terminális aminosav kivételével mindegyik 98 aminosav savhidrazid származékká alakul.

23 Az aminosav szekvencia meghatározása Edman lebontással. H 2 N NH 2 H 2 N HN NH 2 NH N N H S H NaH N C S H 2 N N H S HN NH NH N N H S HCl H HN H N N H S + S N NH tiohidantoin származék A peptidet lúgos közegben izotiocianáttal reagáltatják, és a keletkező tiokarbamid származék savas hidrolízisével az N-terminális aminosav lehasd és tiohidantoin struktúra alakul ki. Jól automatizálható folyamat. 99

24 100

25 101

26 102

27 103

28 elsődleges szerkezet: másodlagos szerkezet: harmadlagos szerkezet negyedleges szerkezet: 104

29 105

30 Curtius (1888) Dipeptidek előállítása De! Két különböző aminosav közvetlen kapcsolása, négy terméket eredményez!

31 Aminocsoport védése - karbamátok Védés és aktiválás

32 Aktiválás és kapcsolás

33 Aktiválás DCC-vel

34 Szilárd fázisú technika (Merrifi): A módszerben az egyik aminosavat olyan divinilbenzollal térhálósított polisztirol gyantához kötjük, amelynek kb. minden 100-adik fenilcsoportja klórmetilcsoportot tartalmaz. A kapcsolás után, amit DCC-vel végezhetünk, a szennyezések és melléktermékek a polimerből könnyen kimoshatók, és a peptid a polimerről HF-dal lehasítható. A kapcsolási lépést a polimerhez kötött peptiden a védőcsoport eltávolítása után ismételhetjük. Az eljárás hatékonyságát példázza a 124 aminosav egységet tartalmazó nukleinsav bontó enzim a pankreász-ribonukleáz szintézise. A módszer automatizálható, programozható, de időigényes a sok lépés miatt (inzulin = aminosav kapcsolása, 19 napig tart). Robert Bruce Merrifield ( ) Nobel díj 1984 Cl mûgyanta Cl 110

35 gyanta CH 2 Cl H C - HCl CH R 1 NHCR gyanta CH 2 C CH NHCR R 1 hidrolízis/- C 2 gyanta CH 2 C CH NH 2 R 1 1. DCC, 2. hidrol. gyanta CH 2 C CH NH C CH NH 2 R 1 R 2 gyanta CH 2 C CH NH C CH NH C CH NH 2 R 1 R n-1 R n HJ v. HF gyanta CH 2 I + H C CH R 1 NH C CH R NH C n-1 CH NH 2 R n 111

36 Néhány jelentős természetes peptid Glutation: tripeptid, glu-cys-gly, oxidációs-redukciós folyamatok partnere, a szulfidcsoport diszulfiddá oxidálódik. Természetes állapotban néhány gyümölcsben és zöldségben, továbbá növényi és állati szövetekben fordul elő. Nagyobb mennyiségben pedig fehérjetartalmú ételekben található meg. A máj képes előállítani a három aminosavból. HC NH 2 SH A AH 2 NH CH 2 G-SH G-S-S-G NH B BH 2 112

37 xitocin és vazopresszin az agyalapi mirigy hormonjai. ktapeptidek, majdnem azonos szerkezetűek, két aminosav különbözik bennük. xitocin: az agyalapi mirigy hátulsó lebenyében tárolódó, a hipotalamuszból érkező hormon. Szabályozza a simaizmok működését, fontos szerepe van a szülés megindításában. Vazopresszin: vérnyomás szabályozása és a vizelet kiválasztása (antidiuretikus hormon) oxitocin vazopresszin 113

38 Inzulin (diabetes mellitis kezelése), (a latin insula = sziget szóból) a hasnyálmirigy Langerhans-szigeteiben található béta-sejtek által termelt polipeptid hormon, amely a szénhidrátok, fehérjék és zsírok anyagcseréjének szabályozásában vesz részt. A szervezet sejtjei (az agysejtek kivételével) csak inzulin jelenlétében képesek felvenni a vérből a glükózt. 114